《低溫材料基礎(chǔ)》全套教學(xué)課件

低溫材料基礎(chǔ)全套可編輯PPT課件第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測(cè)量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測(cè)量方法第一章緒論一、低溫簡(jiǎn)介二、低溫材料簡(jiǎn)介及應(yīng)用領(lǐng)域三、材料材料選取的注意事項(xiàng)一、低溫簡(jiǎn)介制冷屆定義溫區(qū)1、120K以上，制冷；2、4.2至120K，低溫制冷；3、4.2K以下，超低溫制冷Cryogenic,Cryogenics,<120K物理屆定義溫區(qū)1、120K以下，低溫；2、1K以下，極低溫。擴(kuò)展：泛指零攝氏度以下。二、低溫材料簡(jiǎn)介1.結(jié)構(gòu)材料：以其力學(xué)性能為基礎(chǔ)，用以制造受力為主的零構(gòu)件

主要包括金屬材料、高分子材料、陶瓷和玻璃以及復(fù)合材料四類(lèi)。2.功能材料：低溫下具有特殊熱學(xué)、電學(xué)、磁等性能的材料如超導(dǎo)材料、熱電材料、磁卡材料和巨磁阻材料等。與低溫材料相關(guān)的事故和實(shí)例“泰坦尼克”號(hào)沉船造成事故的原因?yàn)榇w所選用的鋼材不適用于低溫環(huán)境，低溫導(dǎo)致鋼材發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。從材料角度來(lái)說(shuō)，船體結(jié)構(gòu)鋼含硫（S）元素和磷（P）元素偏高，材料成分中Mn/S和Mn/C元素含量比值對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變也有影響。同時(shí)，船體采用了鋼板鉚接技術(shù)，而鉚釘材料低溫性能差也是引起災(zāi)難的原因之一。三、低溫材料選取的注意事項(xiàng)介質(zhì)相容性1.液氧相容性2.氫脆3.低溫韌脆轉(zhuǎn)變4.熱應(yīng)力和熱應(yīng)變①溫度變化引起的熱應(yīng)力②溫度梯度引起的熱應(yīng)力5.抗熱震性6.低溫誘發(fā)相變低溫材料基礎(chǔ)第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測(cè)量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測(cè)量方法第一章

材料低溫力學(xué)性能一、材料的低溫彈性形變二、材料的低溫塑性和強(qiáng)度三、材料的低溫韌性四、材料的低溫疲勞性能本章主要講述結(jié)構(gòu)材料的低溫彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性和疲勞性能的基本概念，以及低溫對(duì)材料的這些性能影響的一般規(guī)律2.1材料的低溫彈性變形2.1材料的低溫彈性變形拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)彈性形變材料加載卸載在形變過(guò)程中，其應(yīng)力和應(yīng)變始終都保持單值線(xiàn)性關(guān)系。本節(jié)介紹彈性變形的基本特征及模量、泊松比等基本概念和其隨溫度降低的變化行為。2.1.1彈性變形2.1材料的低溫彈性變形彈性變形的基本特征是具有可逆性，即受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形，外力卸載后變形消失。一些高分子材料具有顯著的黏彈性特征,即在外力作用后緩慢產(chǎn)生彈性變形，外力卸載后緩慢恢復(fù)原狀。各原子之間保持著一定的平衡距離。外力引起的原子間距的變化（Δx），即位移，在宏觀上就是變形。外力去除后，原子復(fù)位的變形就是彈性變形。2.1.1彈性變形2.1材料的低溫彈性變形原子間作用力P隨原子間距x的變化而變化，一種近似關(guān)系為式中，A和B分別為與原子種類(lèi)和晶格類(lèi)型相關(guān)的常數(shù)。原子間作用力與原子間距并不成線(xiàn)性關(guān)系，而是拋物線(xiàn)關(guān)系。在外力適中時(shí)，原子偏離平衡位置不大，在原子間作用力曲線(xiàn)的起始段，可近似視為直線(xiàn)，此時(shí)有引力斥力式中，k為與原子種類(lèi)和晶格類(lèi)型相關(guān)的常數(shù)。2.1材料的低溫彈性變形2.1.1彈性變形由此即得到胡克（Hooke）定律，式中常數(shù)k也稱(chēng)模量，用符號(hào)E表示。Hooke定律表征材料在彈性狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為表示各向同性材料在單軸加載方向上的應(yīng)力與彈性應(yīng)變之間的關(guān)系。對(duì)應(yīng)地，E稱(chēng)為彈性模量。對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)以及各向異性體上的彈性變形，需要用包含高階指數(shù)的廣義Hooke定律來(lái)描述。2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形拉伸彈性模量也稱(chēng)楊氏模量，習(xí)慣上用E表示。依前文可知，材料彈性模量E本質(zhì)上是原子間結(jié)合力曲線(xiàn)的斜率，是與原子種類(lèi)和晶格常數(shù)有關(guān)的常數(shù)。彈性模量表征材料抵抗外加載荷引起的變形的能力。由于外力可以是拉伸力或壓縮力，因此彈性模量有拉伸彈性模量或壓縮彈性模量。實(shí)驗(yàn)表明，多數(shù)材料的彈性模量和壓縮模量相差在5%以?xún)?nèi)，且壓縮彈性模量通常稍大于拉伸彈性模量。2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形物體在三向（x,y,z）壓縮（如流體靜壓）下，體積變化率（ΔV/V）與壓應(yīng)力（或壓強(qiáng)）間由體積彈性模量（簡(jiǎn)稱(chēng)體模量）B聯(lián)系。2.1.2模量當(dāng)溫度降低時(shí)，多數(shù)材料的晶格常數(shù)變小，原子間距減小，原子間結(jié)合力增加，作用力曲線(xiàn)斜率增大，因此彈性模量E增加彈性模量E是與原子間結(jié)合相關(guān)的物理量，本質(zhì)上取決于材料電子結(jié)構(gòu)而非顯微組織。因此，彈性模量E是對(duì)組織不敏感的材料性能指標(biāo)。材料熱處理等通常不會(huì)改變材料的彈性模量，這與強(qiáng)度不同。2.1材料的低溫彈性變形2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形溫度NiFeCuTiAlMg300224.521418.2114.670.144.7280225.8214.9129.2116.670.845.1260227.2215.8130.1-71.645.6240228.6216.8131.1-72.346220230217.713212073.146.4200231.3218.4132.9-73.846.8180232.7219.3133.7123.774.547.2160233.8220.1134.6-75.247.6140235.1220.9135.4-75.848120236.4221.7136.212776.548.3100237.5222.3136.9-77.148.680238.5222.9137.5129.477.648.960239.2223.5138-77.949.140239.8223.9138.4-78.249.220240.1224.1138.6130.678.349.30240.1224.1138.6130.678.449.4表中為鎳（Ni）、鐵（Fe）、鈦（Ti）等典型金屬?gòu)椥阅Ａ縀。表中可知在室溫以下，金屬材料彈性模量E隨溫度降低而增加主要發(fā)生在液氮溫度以上。2.1材料的低溫彈性變形2.1.2模量2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比垂直于受力方向上的應(yīng)變受力方向上的正應(yīng)變2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比溫度對(duì)材料泊松比有一定影響。一般情況下，當(dāng)溫度降低時(shí)材料的泊松比略有降低。對(duì)于各向同性固體材料，由材料的本構(gòu)關(guān)系可知，只有兩個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù)。2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比“拉脹”材料2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比歐拉公式Max2.1材料的低溫彈性變形2.1.3泊松比形狀記憶合金在奧氏體相變終止溫度以上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變。應(yīng)力去除后，由馬氏體相變引起的變形會(huì)消失。終止溫度以上的馬氏體只在應(yīng)力作用下穩(wěn)定，卸載后即逆轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的馬氏體相的。這種不通過(guò)加熱即恢復(fù)到原來(lái)形狀的彈性變形，稱(chēng)為相變超彈性。形狀記憶合金馬氏體相變?yōu)闊o(wú)擴(kuò)散型一級(jí)相變，相變過(guò)程伴隨潛熱變化，此效應(yīng)稱(chēng)為彈熱效應(yīng)。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度材料在受載超過(guò)彈性變形范圍后會(huì)發(fā)生永久、不可逆變形，稱(chēng)之為塑性變形。金屬及合金具有不同程度的塑性變形能力，被稱(chēng)為塑性材料；陶瓷等工程材料基本無(wú)塑性變形能力，被稱(chēng)為脆性材料。通常用強(qiáng)度來(lái)表征工程材料抵抗變形和斷裂的能力。本節(jié)介紹塑性變形的基本特征和強(qiáng)度概念，以及靜強(qiáng)度準(zhǔn)則與安全系數(shù)。2.2.1塑性變形原理：當(dāng)作用在材料上的外加應(yīng)力超過(guò)彈性極限Re時(shí)，材料開(kāi)始發(fā)生永久性不可逆變形，即塑形變形。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度Re對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為比例極限，此點(diǎn)以前為直線(xiàn)。應(yīng)力超過(guò)屈服極限以后，如卸載，則應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系就不再按原路回到原始狀態(tài)，而是有塑性應(yīng)變保留下來(lái)。2.2.1塑性變形2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)率（A）定義為斷裂后材料標(biāo)距的伸長(zhǎng)量L與原始標(biāo)距L0之比的百分率L為斷后材料標(biāo)距長(zhǎng)度。斷面收縮率（Z）定義為材料斷裂后橫截面積Su的最大縮減量（S0?Su）與原始截面積S0之比的百分率2.2.1塑性變形頸縮：在拉伸應(yīng)力下，材料可能發(fā)生的局部截面縮減的現(xiàn)象2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度對(duì)于沒(méi)有頸縮的材料，斷面收縮率Z為零。對(duì)于形成頸縮的材料，斷面收縮率Z也由均勻變形的斷面收縮率和集中變形階段的斷面收縮率組成。斷面收縮率Z只與材料有關(guān)，與試樣尺寸無(wú)關(guān)。2.2.1塑性變形微觀原理：金屬材料塑性變形的主要形式是滑移和孿晶?；剖墙饘僭谇袘?yīng)力作用下沿一定的晶面（滑移面）和一定的晶向（滑移方向）進(jìn)行的切變過(guò)程。相對(duì)于具有體心立方和六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料具有較多的滑移面，因此塑性較好。此外，面心立方金屬材料低溫下變形時(shí)滑移特征得以保持，因此通常其低溫塑性同樣優(yōu)異。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度2.2.1塑性變形2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，如鐵（Fe）、鉬（Mo）、鈮（Nb），其臨界切分應(yīng)力顯著高于具有六方密排和面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬，且隨溫度降低增加最為明顯。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，如鋁（Al）和銅（Cu），其臨界切分應(yīng)力最低，且隨溫度降低變化較不明顯。對(duì)于具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料，臨界切分應(yīng)力介于二者之間。2.2.2強(qiáng)度分類(lèi)：主要包括比例極限、彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度工程上采用規(guī)定一定的殘留變形量的方法確定材料的屈服強(qiáng)度。例如，以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度（規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度）用σ0.2或Rp0.2表示。2.2.2強(qiáng)度屈服強(qiáng)度：工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度對(duì)于有些特殊構(gòu)件如承壓容器，為安全起見(jiàn)，常采用殘余變形量為0.01%甚至0.001%對(duì)應(yīng)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.01和Rp0.001作為屈服強(qiáng)度。而對(duì)橋梁、建筑物等大型工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，則可容許更大的殘余變形量，常選取殘余變形量0.5%對(duì)應(yīng)的Rp0.5作為屈服強(qiáng)度。有些結(jié)構(gòu)甚至選擇殘余變形量1.0%對(duì)應(yīng)的Rp1.0作為屈服強(qiáng)度。2.2.2強(qiáng)度純金屬材料：屈服強(qiáng)度源于使位錯(cuò)移動(dòng)的臨界分切應(yīng)力，因此其大小由位錯(cuò)移動(dòng)所受的各種阻力決定，具體包括點(diǎn)陣阻力、位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力和位錯(cuò)與其他晶體缺陷交互作用的阻力等。2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度2.2.2強(qiáng)度純金屬材料屈服：2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度2.2.2強(qiáng)度合金金屬材料屈服：還包括固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度溫度對(duì)金屬材料屈服強(qiáng)度具有重要影響。一般規(guī)律是，材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低而增加，但其變化范圍與晶格類(lèi)型相關(guān)。應(yīng)變速率以及應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料屈服強(qiáng)度也有影響。一般規(guī)律是，應(yīng)變速率越大，測(cè)得的屈服強(qiáng)度也越大；而應(yīng)力狀態(tài)的影響表現(xiàn)為，彎曲屈服強(qiáng)度大于拉伸屈服強(qiáng)度，拉伸屈服強(qiáng)度大于扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度等。2.2.2強(qiáng)度2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度對(duì)于抗拉強(qiáng)度，多數(shù)隨溫度降低而增加，這與材料鍵合強(qiáng)度隨溫度降低而增加有關(guān)。對(duì)于抗拉強(qiáng)度，多數(shù)隨溫度降低而增加，這與材料鍵合強(qiáng)度隨溫度降低而增加有關(guān)。不同晶體結(jié)構(gòu)的合金抗拉強(qiáng)度隨溫度降低變化趨勢(shì)不同。2.2.3靜強(qiáng)度準(zhǔn)則與安全系數(shù)2.2材料的低溫塑性和強(qiáng)度準(zhǔn)則分類(lèi)闡述備注斷裂準(zhǔn)則無(wú)裂紋材料的斷裂準(zhǔn)則即斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，將在2.3節(jié)中詳細(xì)講述定義應(yīng)力安全系數(shù)為構(gòu)件的失效應(yīng)力（對(duì)塑性材料，常取屈服強(qiáng)度；對(duì)脆性材料，常取抗拉強(qiáng)度）與實(shí)際服役應(yīng)力之比，其值通常在1.3至2.0之間。含裂紋材料的斷裂準(zhǔn)則最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變理論也是無(wú)裂紋材料的斷裂準(zhǔn)則之一。材料無(wú)論處于何種應(yīng)力狀態(tài)，其承受的最大拉應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度極限值（抗拉強(qiáng)度），即發(fā)生脆性斷裂。屈服準(zhǔn)則最大正應(yīng)力準(zhǔn)則（最大拉應(yīng)力理論）-最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則（Mohr-Coulomb準(zhǔn)則）-最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則（Tresca準(zhǔn)則）最大剪應(yīng)力達(dá)到極限值，就會(huì)引起塑性流動(dòng)而失效形狀改變比能準(zhǔn)則（VanMises準(zhǔn)則）-2.3材料的低溫韌性低溫韌性拉伸韌度：材料承受拉伸載荷至斷裂吸收的能量。準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度：定量目標(biāo)韌性表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。從能量角度來(lái)看，韌性表征材料裂紋擴(kuò)展即形成新表面所需要吸收的能量。沖擊韌度：表征材料承受沖擊載荷（高應(yīng)變速率）至斷裂吸收的能量。定性目標(biāo)2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變沖擊韌性定義為試樣吸收功與試樣截面積的比值，即除了沖擊韌性和沖擊吸收功，側(cè)膨脹值（LateralExpansion，LE）也是沖擊試驗(yàn)上反應(yīng)材料韌性的一個(gè)重要指標(biāo)。2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變?cè)S多材料沖擊韌性隨溫度降低而降低。當(dāng)溫度降低（通常指零下40℃以下）至某臨界數(shù)值時(shí)，材料的沖擊韌性急劇下降表明材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩@種轉(zhuǎn)變稱(chēng)為冷脆轉(zhuǎn)變或者韌脆轉(zhuǎn)變。圖2-18給出了一種壓力容器鋼A533B沖擊韌性隨溫度變化趨勢(shì)。冷脆轉(zhuǎn)變溫度以上，材料的斷裂模式為韌性斷裂。冷脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料的斷裂模式為脆性斷裂。2.3材料的低溫韌性圖2-19C和Mn含量分別對(duì)碳鋼和錳鋼沖擊韌性的影響鎳含量對(duì)鎳鋼冷脆轉(zhuǎn)變溫度也有影響，機(jī)理在于Ni降低了鐵素體基體交叉滑移阻力2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬及其合金，如奧氏體鋼、鎳基合金、鋁及鋁合金、銅及銅合金等，沖擊韌性一般隨溫度降低變化不大，多數(shù)材料無(wú)冷脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。低強(qiáng)度且具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬合金，如商業(yè)純鐵、普通碳鋼和部分低合金鋼等，具有明顯的冷脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的金屬及合金介于面心立方晶體結(jié)構(gòu)金屬合金和體心立方晶體結(jié)構(gòu)金屬合金之間，如Ti-5Al-2.5Sn，溫度降低時(shí)韌性也有降低，但不如體心立方晶體結(jié)構(gòu)金屬合金那樣明顯。高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鋼，如18Ni200馬氏體時(shí)效鋼，由于其在很寬的溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值都較低，所示其冷脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象不明顯。2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變冷脆轉(zhuǎn)變溫度與試驗(yàn)方法，尤其是試驗(yàn)應(yīng)變加載速率有關(guān)。加載方式對(duì)材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度也有影響。中子輻照也會(huì)對(duì)材料的韌脆轉(zhuǎn)變有影響，如圖2-22所示。2.3材料的低溫韌性2.3.1沖擊韌度與低溫韌脆轉(zhuǎn)變2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度斷裂力學(xué)拋棄傳統(tǒng)強(qiáng)度理論認(rèn)為的構(gòu)件是無(wú)缺陷和裂紋的連續(xù)均勻介質(zhì)，而認(rèn)為構(gòu)件存在宏觀裂紋，利用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)或彈塑性斷裂力學(xué)的分析方法，研究裂紋在外載荷作用下的力學(xué)行為。2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為材料脆性斷裂前基本上是彈性變形，即其應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系是線(xiàn)性關(guān)系。20世紀(jì)20年代，Griffith對(duì)脆性材料的斷裂行為研究做了開(kāi)創(chuàng)性工作。歷經(jīng)近五十年，在Irwin等科學(xué)家的努力下，提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子概念和應(yīng)力場(chǎng)分析方法，開(kāi)創(chuàng)了利用應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法分析疲勞裂紋擴(kuò)展。于20世紀(jì)70年代，線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)已趨于成熟。應(yīng)用場(chǎng)分析法能量分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度應(yīng)用場(chǎng)分析法Griffith發(fā)現(xiàn)材料中大量缺陷的存在是造成脆性材料極限強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的主要原因。其造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致局部應(yīng)力超過(guò)材料極限強(qiáng)度造成的。歷史上，Inglis首先研究了材料中缺陷的應(yīng)力集中效應(yīng)?？紤]平板中存在一個(gè)橢圓裂紋，垂直裂紋方向受均勻的拉應(yīng)力σ作用，半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為a，半短軸長(zhǎng)度b、a和b遠(yuǎn)小于板寬度和高度。Inglis認(rèn)為裂紋尖端（A點(diǎn)）的拉應(yīng)力為

2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度

應(yīng)用場(chǎng)分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度

即在該平面上切應(yīng)力為零，而拉伸正應(yīng)力最大，故裂紋易沿該平面擴(kuò)展。

對(duì)于中心穿透無(wú)限寬度，Y=1。對(duì)如圖2-26（c）所示的半邊三角形板邊裂紋情況（注意無(wú)裂紋側(cè)寬度為無(wú)限），Y=1.12。應(yīng)用場(chǎng)分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度斷裂力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)分析法可以解決下列問(wèn)題：（1）確定帶裂紋構(gòu)件可承受的臨界載荷。當(dāng)已知構(gòu)件的幾何形狀、裂紋幾何和構(gòu)件材料的斷裂韌度，運(yùn)用應(yīng)力場(chǎng)分析法可確定帶裂紋構(gòu)件的臨界載荷。（2）確定裂紋容限尺寸。當(dāng)已知外加載荷、構(gòu)件材料的斷裂韌度以及含裂紋構(gòu)件的幾何形狀，運(yùn)用應(yīng)力場(chǎng)分析法可以確定裂紋的容限尺寸，即裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸。（3）確定帶裂紋構(gòu)件的安全裕度。（4）選擇與評(píng)定材料。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，選擇與評(píng)定材料只需要依據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則；而按斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，應(yīng)選擇高斷裂韌度的材料。一般情況下，材料的屈服強(qiáng)度越高，斷裂韌度則越低，因此選擇與評(píng)定材料應(yīng)全面考慮。應(yīng)用場(chǎng)分析法2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度能量分析法從斷裂的能量平衡角度，Griffith提出了材料的缺口強(qiáng)度理論，即認(rèn)為材料中存在的裂紋引起應(yīng)力集中，當(dāng)裂紋尖端正應(yīng)力達(dá)到理論強(qiáng)度值時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂。而裂紋擴(kuò)展受能量條件支配，即裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是裂紋形成時(shí)物體所釋放出的彈性應(yīng)變能，而其阻力是裂紋擴(kuò)展時(shí)新產(chǎn)生裂紋的表面能。

彈性應(yīng)變能：表面能：總能：2.3材料的低溫韌性2.3.2斷裂力學(xué)與斷裂韌度能量分析法實(shí)際裂紋形成時(shí)除了產(chǎn)生表面能，還有塑性變形能，而且后者數(shù)值上遠(yuǎn)大于前者。因此，Griffith理論只適用于脆性固體等裂紋尖端塑性變形可以忽略的情況。據(jù)此，Griffith隨后對(duì)式（2-43）做了修正

2.3材料的低溫韌性線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料脆性斷裂前基本上是彈性變形，即其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線(xiàn)性關(guān)系。然而，對(duì)塑性變形尺寸（簡(jiǎn)稱(chēng)塑性區(qū)）較大，即大范圍屈服或整體屈服，線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)已不適用。因此需要發(fā)展新的斷裂力學(xué)理論——彈塑性斷裂力學(xué)與線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)分析和能量分析法類(lèi)似，彈塑性斷裂力學(xué)也發(fā)展了不同的處理方法，目前應(yīng)用廣泛的是J積分彈塑性斷裂力學(xué)和裂紋尖端張開(kāi)位移（CrackTipOpeningDisplacement，CTOD）理論。2.3材料的低溫韌性J積分彈塑性斷裂力學(xué)上文中提到的對(duì)裂紋擴(kuò)展的能量釋放完整描述中：

2.3材料的低溫韌性J積分彈塑性斷裂力學(xué)J積分的守恒性：即J積分值與積分路線(xiàn)的形狀和大小無(wú)關(guān)

2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開(kāi)位移Wells于1961年提出了裂紋尖端張開(kāi)位移概念。在理想的彈塑體材料中裂紋尖端達(dá)到全面屈服后，其韌帶部位的應(yīng)力值不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，所以不能再用應(yīng)力關(guān)系表征裂紋體的擴(kuò)展行為。因此可以通過(guò)檢測(cè)與裂紋尖端的應(yīng)變量相關(guān)且易于測(cè)量的裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）表征裂紋體的應(yīng)變量。2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開(kāi)位移

2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開(kāi)位移彈塑性條件下要使用裂紋尖端張開(kāi)位移δ作為斷裂判據(jù)，需要確定彈塑性變形條件下δ與構(gòu)件工作應(yīng)力和裂紋尺寸間的關(guān)系。帶狀屈服模型是一個(gè)應(yīng)用廣泛的解決方案。考慮一個(gè)受單向均勻拉伸的薄板（拉伸應(yīng)力σ），板中心有一長(zhǎng)為2a的穿透裂紋。裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形區(qū)，由圖中深色陰影區(qū)所示。假定裂紋尖端的塑性區(qū)呈尖劈形。帶狀屈服模型認(rèn)為塑性變形區(qū)上下兩面均受均勻應(yīng)力，其值為有效屈服強(qiáng)度。此應(yīng)力阻止上下兩表面分離，其方向是使塑性區(qū)閉合，與外應(yīng)力方向相反。塑性區(qū)周?chē)允菑椝苄詤^(qū)，所以此模型旨在將裂紋尖端的彈塑性問(wèn)題進(jìn)行彈性化處理，繼續(xù)使用彈性力學(xué)的方法。2.3材料的低溫韌性裂紋尖端張開(kāi)位移按帶狀屈服模型處理方法，裂紋尖端張開(kāi)位移δ為將lnsec函數(shù)級(jí)數(shù)展開(kāi)，有裂紋尖端張開(kāi)位移δ也與KI和GI具有等價(jià)性。2.3材料的低溫韌性阻力曲線(xiàn)（R曲線(xiàn)）

時(shí)，斷裂便會(huì)發(fā)生。KR和K分別由構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)的計(jì)算得到。2.3材料的低溫韌性工程材料斷裂韌度簡(jiǎn)介影響材料斷裂韌度的因素強(qiáng)度工程材料的斷裂韌度和強(qiáng)度存在“折中”關(guān)系，即提高材料的強(qiáng)度通常會(huì)導(dǎo)致斷裂韌度降低。內(nèi)增韌與外增韌對(duì)于作用于裂紋產(chǎn)生之前的增韌方法稱(chēng)為內(nèi)增韌，而作用于裂紋產(chǎn)生之后的增韌方法稱(chēng)為外增韌。斷裂與材料的鍵合特性、晶體結(jié)構(gòu)以及材料有序度等因素有關(guān)，材料的固有韌性與裂紋尖端發(fā)生塑性變形的能力有關(guān)。2.3材料的低溫韌性工程材料斷裂韌度簡(jiǎn)介

2.3材料的低溫韌性工程材料斷裂韌度簡(jiǎn)介影響金屬材料斷裂韌度的因素晶體結(jié)構(gòu)與材料的塑性行為類(lèi)似，不同晶格類(lèi)型的金屬材料斷裂韌度隨溫度降低變化趨勢(shì)也有不同。化學(xué)成分化學(xué)成分對(duì)金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、相平衡、強(qiáng)化以及變形機(jī)理有重要影響。雜質(zhì)會(huì)在基體中形成沉淀相或夾雜物。加工金屬加工包括生產(chǎn)、精煉、鑄造和鑄錠成型，以及熱處理過(guò)程等。加工對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)以及性能有重要影響。應(yīng)變速率應(yīng)變速率對(duì)材料的斷裂韌度有影響。相同溫度下，應(yīng)變速率越低，斷裂韌度越大。2.4.1變應(yīng)力與材料疲勞2.4材料的低溫疲勞性能變應(yīng)力指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。材料在變應(yīng)力作用下，即使所受應(yīng)力低于材料的極限強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料疲勞。變應(yīng)力包括隨機(jī)變應(yīng)力和交變應(yīng)力。交變應(yīng)力還可細(xì)分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力和不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。本書(shū)主要討論穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力。2.4.1變應(yīng)力與材料疲勞2.4材料的低溫疲勞性能

平均應(yīng)力σm：

2.4.1變應(yīng)力與材料疲勞2.4材料的低溫疲勞性能在靜載情況下，無(wú)論顯示脆性還是韌性的材料，在變應(yīng)力下斷裂都不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，且斷裂通常是突發(fā)性的。疲勞斷裂包括裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段。時(shí)間尺度上第一個(gè)階段最長(zhǎng)，而最終斷裂最短，甚至是瞬間發(fā)生。裂紋萌生通常發(fā)生在材料表面、內(nèi)部缺陷、金屬夾雜物，以及缺口、溝槽等處。在名義應(yīng)力低于材料極限強(qiáng)度下，缺陷及缺口等成為應(yīng)力集中點(diǎn)，隨著加載循環(huán)的增加，應(yīng)力集中點(diǎn)逐步發(fā)展成微觀裂紋和宏觀裂紋。宏觀裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至構(gòu)件剩余部分不能承擔(dān)載荷而發(fā)生突然斷裂。裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段在材料疲勞斷口形貌有所體現(xiàn)。微觀上，裂紋擴(kuò)展階段對(duì)應(yīng)條狀花紋，稱(chēng)為疲勞條帶或疲勞輝紋。最終瞬斷區(qū)微觀形貌則與材料靜載斷裂形貌一致。從材料斷裂周次上分，疲勞可分為低周疲勞、高周疲勞和超高周疲勞。一般低溫工程中較少涉及超高周疲勞。

2.4材料的低溫疲勞性能

2.4材料的低溫疲勞性能

溫度是影響材料疲勞性能的一個(gè)重要因素。對(duì)金屬材料，如前所述，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而增加。這與溫度降低后位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)變?nèi)鯇?dǎo)致塑性變形的阻力增加有關(guān)。此外，溫度減小后擴(kuò)散等作用也有降低。對(duì)有些金屬材料，疲勞強(qiáng)度和疲勞極限也隨溫度降低而增加。銅及銅合金等也具有相同規(guī)律。

2.4材料的低溫疲勞性能溫度降低后疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展都受阻，因此疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命都會(huì)增加。然而，對(duì)鋅、鐵素體鋼等具有冷脆轉(zhuǎn)變特性的金屬合金，在轉(zhuǎn)變溫度以下，其疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量較為困難，且呈現(xiàn)疲勞強(qiáng)度隨溫度降低而降低的現(xiàn)象。對(duì)于工程塑料，溫度對(duì)疲勞性能的影響更為復(fù)雜。2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門(mén)檻值2.4材料的低溫疲勞性能含裂紋構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展在變應(yīng)力作用下會(huì)越來(lái)越快。對(duì)構(gòu)件在較低應(yīng)力水平下的服役情形，其疲勞壽命的絕大部分是在裂紋初期擴(kuò)展階段。同時(shí)，應(yīng)力水平越高，裂紋擴(kuò)展越快。恒應(yīng)力水平下，裂紋尺寸越大，裂紋擴(kuò)展越快。

式中，C和m為與材料和溫度等因素有關(guān)的常數(shù)。對(duì)金屬材料，m值一般在2～7之間。2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門(mén)檻值2.4材料的低溫疲勞性能

2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門(mén)檻值2.4材料的低溫疲勞性能對(duì)前述經(jīng)驗(yàn)式積分，得根據(jù)前式，有在疲勞損傷容限設(shè)計(jì)中，上式可用來(lái)估算裂紋擴(kuò)展壽命。注意該式不適用于m=2以及Y與裂紋長(zhǎng)度a相關(guān)的情形。對(duì)于Y與裂紋長(zhǎng)度a相關(guān)的情況，計(jì)算較為復(fù)雜。2.4.3疲勞裂紋擴(kuò)展速率及門(mén)檻值2.4材料的低溫疲勞性能一些工程材料的低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率和門(mén)檻值見(jiàn)表2-9。低溫對(duì)材料及構(gòu)件疲勞裂紋擴(kuò)展速率有重要影響。溫度降低，多數(shù)金屬合金材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率以及門(mén)檻值也有不同程度的降低。但是在Ⅱ區(qū)末尾和Ⅲ區(qū)開(kāi)始階段，有的材料表現(xiàn)出不同的行為。2.4.4疲勞設(shè)計(jì)概要2.4材料的低溫疲勞性能疲勞的不同設(shè)計(jì)原理之間的主要區(qū)別在于裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展穩(wěn)態(tài)的定量處理方法。目前疲勞設(shè)計(jì)主要包括總壽命法和損傷容限法兩種?？倝勖〒p傷容限法總壽命法是指以循環(huán)應(yīng)力范圍（S-N曲線(xiàn)）或應(yīng)變范圍（ε-N曲線(xiàn)）描述疲勞斷裂的總壽命的方法。在這些方法中，通過(guò)控制應(yīng)力幅或應(yīng)變幅以獲得初始無(wú)裂紋（和具有名義光滑表面）的測(cè)試試樣產(chǎn)生疲勞斷裂所需的循環(huán)數(shù)。此壽命包括裂紋萌生的疲勞循環(huán)數(shù)（可能高達(dá)總壽命的90%）和使裂紋擴(kuò)展至疲勞斷裂的循環(huán)數(shù)。因此該方法在多數(shù)情況下體現(xiàn)抵抗裂紋萌生的設(shè)計(jì)思想。疲勞設(shè)計(jì)的損傷容限法與斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)的損傷容限法基本一致。采用損傷容限法預(yù)測(cè)裂紋擴(kuò)展壽命時(shí)，需要應(yīng)用裂紋擴(kuò)展速率等裂紋擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。根據(jù)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的要求，只有遠(yuǎn)離應(yīng)力集中的塑性應(yīng)變場(chǎng)，且與帶裂紋構(gòu)件的特征尺寸（包括裂紋尺寸）相比，裂紋頂端塑性區(qū)較小，彈性加載占主導(dǎo)作用的情形下，才可以用損傷容限法。2.5本章小結(jié)1.彈性變形、塑性變形、強(qiáng)度、沖擊韌性額、斷裂力學(xué)和疲勞的基本概念。2.低溫材料強(qiáng)度、斷裂韌度等低溫環(huán)境隨溫度降低的一般變化行為。3.低溫工程設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度、斷裂力學(xué)及疲勞設(shè)計(jì)方法。低溫材料基礎(chǔ)第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測(cè)量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測(cè)量方法第三章

材料低溫物理性能一、低溫?zé)崃W(xué)性能二、低溫電學(xué)性能三、材料的低溫磁性能比熱3.1材料的低溫物理性能材料的熱容定義為在實(shí)際應(yīng)用中，最為常用的是定壓熱容CP和定容熱容CV。通常實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的是定壓熱容CP，而物理意義更為基本的是定容熱容CV。定容熱容CV直接與物質(zhì)內(nèi)能U相關(guān)，即比熱3.1材料的低溫物理性能對(duì)多數(shù)固體材料，室溫下(CP?CV)/CP值約為百分之幾，且隨溫度降低并迅速減小。在液氦溫度下，CP≈CV，兩者的定量關(guān)系為

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能固體的晶格振動(dòng)可用聲子描述。聲子是波色（Bose）子，聲子系統(tǒng)遵從波色統(tǒng)計(jì)，每一種振動(dòng)模式的平均能量為

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

對(duì)式（3-10）的處理需要用到兩個(gè)重要的模型，即愛(ài)因斯坦（Einstein）模型和德拜（Debye）模型。比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型實(shí)際晶體的聲子譜比較復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相同晶體結(jié)構(gòu)的材料具有大致相同形貌的聲子譜，只是最大頻率不同。例如，鉛（Pd）、鎳（Ni）和銅（Cu）等具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的金屬具有相同形貌的聲子譜，但Ni的最大頻率比Cu的高，Pd的最低。按Debye模型，比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型Debye溫度反映固體中原子振動(dòng)的平均頻率大小，與原子質(zhì)量和原子之間的結(jié)合力有關(guān)。物理學(xué)中固體的許多性質(zhì)與原子振動(dòng)、原子質(zhì)量和原子間結(jié)合力有關(guān)，因而它們很大程度上可用Debye溫度來(lái)代表。因此，Debye溫度已經(jīng)不再限于其原來(lái)的意義，而成為一個(gè)重要的具有廣泛意義的物理量。如實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電阻率、熔點(diǎn)、壓縮系數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及有些力學(xué)性質(zhì)都與Debye溫度相關(guān)。例如，利用電阻率與Debye溫度的關(guān)系，根據(jù)材料電導(dǎo)率的布洛赫（Bloch）理論可導(dǎo)出電導(dǎo)率為式中，A為金屬特性常數(shù)，M為金屬原子的質(zhì)量。式（3-19）是Bloch-Grüneisen公式。比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能

即金屬在高溫下的電阻率與溫度成正比，低溫下電阻率與溫度T的5次方成正比。比熱:晶格比熱3.1材料的低溫物理性能2.Debye模型Debye模型在低溫下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地符合，這是因?yàn)樵诘蜏叵麻L(zhǎng)波聲子的激發(fā)對(duì)比熱貢獻(xiàn)起主要作用，可以把晶體看成連續(xù)介質(zhì)，與固體內(nèi)原子排列無(wú)關(guān)。如圖3-2所示，低溫下液晶高分子材料與非晶高分子低溫比熱行為不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非晶固體（如玻璃）的低溫比熱變化行為與非晶高分子類(lèi)似。當(dāng)溫度低于80K時(shí)，非晶材料的比熱隨溫度變化行為基本一致，可以近似認(rèn)為與材料化學(xué)成分無(wú)關(guān)。比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度上升時(shí)，很多金屬的電子比熱系數(shù)相對(duì)于低溫下電子比熱系數(shù)發(fā)生變化，且變化趨勢(shì)不同。這與Fermi能級(jí)附近態(tài)密度曲線(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的溫度依賴(lài)有關(guān)。幾種材料的電子比熱系數(shù)見(jiàn)表3-3。低溫下電子?聲子相互作用變得重要起來(lái)，其引起的比熱增加量甚至可以高達(dá)電子比熱本身的20%以上。當(dāng)溫度低于臨界溫度Tc時(shí)，有些金屬及合金材料呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:電子比熱3.1材料的低溫物理性能比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能固體中具有磁矩的微觀粒子有電子、離子（或原子）和原子核，它們除了對(duì)磁性質(zhì)有貢獻(xiàn)，還對(duì)比熱有貢獻(xiàn)。鐵磁體中磁性的離子（或原子）通過(guò)交換作用在某一臨界溫度以下形成長(zhǎng)程磁有序。自旋波是長(zhǎng)程磁有序系統(tǒng)的元激發(fā)，也稱(chēng)磁子。和晶格振動(dòng)的元激發(fā)?聲子一樣，磁子對(duì)比熱也有貢獻(xiàn)。在有些磁合金中，由于磁性原子的濃度和漲落，在濃度高的區(qū)域形成鐵磁集團(tuán)、反鐵磁集團(tuán)或混磁集團(tuán)，而各集團(tuán)大磁矩的方向是無(wú)序分布的。相鄰磁集團(tuán)之間有間接交換作用，使每一個(gè)磁集團(tuán)處于周?chē)写啪卦谠撎幃a(chǎn)生的內(nèi)場(chǎng)作用之下，對(duì)比熱產(chǎn)生貢獻(xiàn)。在屬于自旋玻璃的稀磁合金中，雜質(zhì)磁矩之間有所謂的RKKY相互作用，在凍結(jié)狀態(tài)下磁性雜質(zhì)原子對(duì)比熱的貢獻(xiàn)與磁集團(tuán)又有所不同。此外，有的系統(tǒng)磁性很強(qiáng)，但還不足以形成長(zhǎng)程磁有序，在這樣的金屬或合金系統(tǒng)中存在大量稱(chēng)為自旋漲落的磁激發(fā)。這種磁激發(fā)對(duì)比熱的貢獻(xiàn)在低溫下特別顯著。1.磁子比熱與聲子類(lèi)似，磁子也是波色子，因此遵從波色統(tǒng)計(jì)。由于鐵磁自旋波和反鐵磁自旋波的色散關(guān)系不同，他們的比熱?溫度關(guān)系也不同。1）鐵磁系統(tǒng)自旋波的角頻率和動(dòng)量之間的色散關(guān)系為式中，C為常數(shù)，q為動(dòng)量。由此得到比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能2）反鐵磁系統(tǒng)自旋波的頻率和動(dòng)量之間的色散關(guān)系為比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:磁比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:反常比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:反常比熱3.1材料的低溫物理性能2．合作現(xiàn)象引起的反常比熱考慮強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中粒子之間相互作用很強(qiáng)，每個(gè)粒子的能量與周?chē)Ｗ拥臓顟B(tài)都有關(guān)，因此對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)應(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量，以及系統(tǒng)組態(tài)對(duì)能量的影響。對(duì)上述系統(tǒng)加熱，當(dāng)接近某一臨界溫度時(shí)，粒子的熱運(yùn)動(dòng)能與相互作用能勢(shì)均力敵，系統(tǒng)組態(tài)很容易發(fā)生劇烈變化，而引起某種相變。如鐵磁體，磁矩之間有強(qiáng)相互作用，在低溫下磁矩都整齊指向同一方向。在臨界溫度，由于熱漲落，少數(shù)磁矩掙脫周?chē)啪氐氖`離開(kāi)原方向而發(fā)生“動(dòng)搖”。每個(gè)動(dòng)搖的磁矩引起它周?chē)啪刈饔昧p弱，從而引起更多磁矩的動(dòng)搖。當(dāng)全部磁矩動(dòng)搖后，系統(tǒng)各磁矩取向混亂，相變過(guò)程也就完成，這就是合作現(xiàn)象。除鐵磁相變外，還有反鐵磁相變、有序?無(wú)序相變、正常He?超流He相變、正常態(tài)?超導(dǎo)相變等都有合作效應(yīng)。這種相變的比熱曲線(xiàn)很像希臘字母λ，也稱(chēng)為“λ-相變”

比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能

比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能1．冷卻物體吸熱計(jì)算結(jié)合典型材料的比熱圖3-7和圖3-8，可見(jiàn)將物體從室溫冷卻到液氦溫度，絕大多數(shù)熱量是在室溫到液氮溫度之間取走的，例如對(duì)銅而言可達(dá)93%。冷卻到液氮溫度以下再繼續(xù)冷卻就容易了。這是低溫實(shí)驗(yàn)中通常采用液氮預(yù)冷方法的物理原因。冷卻1千克不同固體材料到低溫液體正常沸點(diǎn)所需的液體量如表3-6所示。比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能2．磁致冷材料磁性物質(zhì)是由原子或具有磁矩的磁性離子組成的結(jié)晶體，具有一定的熱運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)。當(dāng)無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，磁性物質(zhì)內(nèi)磁矩的取向是無(wú)規(guī)則的，此時(shí)系統(tǒng)的熵較大。當(dāng)磁性物質(zhì)被磁化時(shí)，磁矩沿磁化方向擇優(yōu)取向，在等溫條件下，該過(guò)程導(dǎo)致磁性物質(zhì)熵減小，有序度增加，向外界放熱。而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，由于磁性原子或離子的熱運(yùn)動(dòng)，其磁矩又趨于無(wú)序，在熵增和等溫條件下，磁性材料從外界吸熱，就能達(dá)到制冷的效果。此過(guò)程也稱(chēng)為磁性材料的磁熱（或磁卡）效應(yīng)。磁制冷材料性能主要取決于磁有序化溫度（磁相變點(diǎn)，如居里點(diǎn)Tc、奈爾點(diǎn)TN等）、一定外加磁場(chǎng)變化下磁有序溫度附近的磁卡效應(yīng)（通常是磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)）等。適合磁制冷的材料一般應(yīng)具有低比熱和高熱導(dǎo)率，以保障磁性材料有明顯的溫度變化和快速地進(jìn)行熱交換。比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能3．蓄冷材料用于低溫系統(tǒng)蓄冷器的填料應(yīng)具有較大的比熱和比表面積，還要求具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，耐磨損，經(jīng)受長(zhǎng)周期性劇烈的溫度和壓力交變流動(dòng)下不破碎，以及較小的流動(dòng)阻力等要求。適用于不同溫區(qū)、不同類(lèi)型制冷機(jī)的蓄冷材料及形狀不同。例如氣體制冷機(jī)的蓄冷器一般采用細(xì)金屬絲網(wǎng)、小金屬球或顆粒，而低溫制冷機(jī)要求具有更大的比表面積和比熱的蓄冷材料。在40K以上溫區(qū)蓄冷填料通常選用磷青銅或不銹鋼，卻不適合20～30K溫區(qū)。金屬Pb可用于15K以上溫區(qū)蓄冷，但不適合更低溫度。在15～4.2K蓄冷器主要采用具有磁比熱反常的磁性蓄冷材料，如Er3Ni。在2～35K溫區(qū)ErN、HoN和HoCu2等材料的低溫比熱如圖3-9所示。制冷機(jī)用蓄冷材料在1～15K溫區(qū)的低溫比熱如圖3-10所示。比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能比熱:典型材料的低溫比熱3.1材料的低溫物理性能熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能對(duì)于非晶材料、玻璃及高分子材料，隧道效應(yīng)對(duì)聲子散射也有影響。這導(dǎo)致這些材料低溫聲子熱導(dǎo)率有且在2～20K溫區(qū)通常存在一平臺(tái)。熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：平均熱導(dǎo)率和積分熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能

熱導(dǎo)率：平均熱導(dǎo)率和積分熱導(dǎo)率3.1材料的低溫物理性能積分熱導(dǎo)率的重要應(yīng)用還包括確定熱損耗和確定室溫至考察溫度的熱截留。例如，由通過(guò)3根直徑為10mm，長(zhǎng)度L為1m的奧氏體不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)（I(4.2K,295K)=3070W/m）從室溫到液氦傳輸?shù)臒崃鳛?.7W，如圖3-14（a）所示。這將導(dǎo)致液氦的蒸發(fā)率為1l/h。為減少通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)向液氦的熱輸運(yùn)，常采用中間溫度的熱截留技術(shù)?？刹捎靡旱鋮s的熱沉，也可采用與制冷機(jī)的一級(jí)冷頭連接的熱沉。考慮通過(guò)3根直徑為10mm，長(zhǎng)度L為0.75m的奧氏體不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)（I(4.2K,77K)=325W/m）從77K熱沉到液氦傳輸?shù)臒崃鲀H為0.1W，如圖3.1-14（b）所示。熱截留后熱氦的消耗量?jī)H為原來(lái)的1/7。熱擴(kuò)散系數(shù)3.1材料的低溫物理性能均勻、各向同性材料的熱擴(kuò)散系數(shù)或熱擴(kuò)散率定義為熱擴(kuò)散系數(shù)為表征材料熱量擴(kuò)散能力的物理量，即表征材料由初始溫度分布到不可逆均勻溫度的時(shí)間快慢的量度。可求得特征時(shí)間τ特征時(shí)間τ為瞬時(shí)溫度達(dá)最終溫度的2/3所需時(shí)間。瞬時(shí)溫度達(dá)最終溫度的95%所需的時(shí)間約為3τ。當(dāng)溫度降低時(shí)，多數(shù)材料的熱導(dǎo)率和比熱都會(huì)降低。然而，材料的比熱降低的幅度通常遠(yuǎn)大于熱導(dǎo)率降低的幅度。因此，材料的熱擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨溫度降低而顯著增加，注意奧氏體不銹鋼具有相對(duì)較低的低溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)3.1材料的低溫物理性能接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能對(duì)于接觸熱阻的產(chǎn)生機(jī)理，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為由于兩固體接觸是非理想的，如圖3-16（a）所示。即接觸表面的實(shí)際有效接觸面積只占到名義接觸面積的0.01%～0.1%。即使通過(guò)施加壓力，也難以實(shí)現(xiàn)理想接觸。如兩界面接觸壓力達(dá)到10MPa，實(shí)際接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%。非理想接觸會(huì)引起熱流的收縮，如圖3-16（b）所示，從而產(chǎn)生接觸熱阻，并導(dǎo)致溫度不連續(xù)，如圖3-16（c）所示。接觸熱阻不僅與材料特性有關(guān)，還與界面狀態(tài)密切相關(guān)。接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能對(duì)接觸熱阻的研究，不僅要考慮其表觀的宏觀特性，更要從微觀角度考慮傳熱過(guò)程中的微尺度效應(yīng)和電子、聲子散射機(jī)理?？ㄆげ闊嶙柰ǔＪ侵敢汉囟纫韵拢ㄐ∮?K）發(fā)生的界面熱阻現(xiàn)象?；诼曌邮淠Ｐ停梢杂?jì)算通過(guò)界面聲子輸運(yùn)的比例。如圖3-17所示，考慮聲子自液氦至固體的輸運(yùn)過(guò)程，由斯涅爾（Snell）折射定律有式中，vl和vs分別為液氦和固體中的聲速。發(fā)生全反射的臨界條件為接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

接觸熱阻3.1材料的低溫物理性能

熱發(fā)射率3.1材料的低溫物理性能材料的表面發(fā)射率是表征材料熱物性的重要物理量之一。熱發(fā)射率指物體的輻射能力與相同溫度下黑體的輻射能力之比，有時(shí)也稱(chēng)發(fā)射率、輻射率或比輻射率等。黑體的輻射功率與溫度之間的定量關(guān)系由斯忒藩?玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）描述，即在一定溫度下，絕對(duì)黑體的溫度與輻射本領(lǐng)最大值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的乘積為一常數(shù)（維恩位移定律），即實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量材料的光譜發(fā)射率十分困難。通常假定材料為灰體。灰體的表面發(fā)射率不隨輻射波長(zhǎng)變化，因此其表面的發(fā)射能量只是溫度的函數(shù)。熱發(fā)射率3.1材料的低溫物理性能

熱發(fā)射率3.1材料的低溫物理性能低溫系統(tǒng)中，高真空及超高真空度使氣體對(duì)流及氣體傳導(dǎo)傳熱顯著降低，因此降低輻射傳熱變得十分重要。研究材料的低溫發(fā)射率對(duì)低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。通過(guò)對(duì)材料低溫發(fā)射率研究發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：高電導(dǎo)材料通常是優(yōu)良的反射體，如銅、銀、金和鋁；發(fā)射率隨溫度降低而降低；優(yōu)良反射體的發(fā)射率會(huì)因表面污染而增加；通過(guò)合金化提高材料的反射率可提高發(fā)射率；機(jī)械拋光等提高金屬材料表面加工硬化處理會(huì)提高材料發(fā)射率；僅通過(guò)光潔度等外觀不能可靠確定材料是否為高發(fā)射率，尤其在長(zhǎng)波段。熱膨脹3.1材料的低溫物理性能物體因溫度變化會(huì)出現(xiàn)體積變化現(xiàn)象，通常是隨溫度降低體積減小，隨溫度升高體積膨脹。與物質(zhì)的比熱類(lèi)似，熱膨脹與晶格振動(dòng)相關(guān)，且有相同的變化趨勢(shì)，如隨溫度降低，材料的熱膨脹系數(shù)降低。具體地說(shuō)，物質(zhì)的熱膨脹源于原子間相對(duì)位移的非諧項(xiàng)（高于二次的項(xiàng)）。在定壓下各向同性材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)定義為定義體積膨脹系數(shù)為對(duì)各向同性固體，有熱膨脹3.1材料的低溫物理性能金屬材料室溫?低溫（4K）線(xiàn)收縮率一般在0.5%左右。因瓦（Invar）合金具有較低的熱收縮率，有時(shí)稱(chēng)為零膨脹材料。在相同溫度范圍內(nèi)，高分子材料線(xiàn)收縮率一般都大于金屬的，如環(huán)氧樹(shù)脂和聚四氟乙烯，甚至達(dá)2%。例外的是聚酰胺酰亞胺（Torlon），其線(xiàn)收縮率甚至小于鋁合金。G-10玻璃鋼具有各向異性特征，其經(jīng)向線(xiàn)收縮率約為0.25%，而垂直纖維布方向因富環(huán)氧樹(shù)脂線(xiàn)收縮率高達(dá)0.71%。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的線(xiàn)收縮率也較小，近似于鋼材。有些非晶材料，如派來(lái)克斯玻璃（Pyrex）、ZERODUR，線(xiàn)收縮率接近于零。多晶石英不僅具有較低的熱導(dǎo)率，還具有較低的熱膨脹。線(xiàn)收縮率較小的石英常用作低溫設(shè)備中測(cè)量物體相對(duì)位置的測(cè)量原件（參照物）。此外，材料的熱膨脹系數(shù)還與它們的成型方向有關(guān)，如石墨。對(duì)于石墨材料，其在高溫下導(dǎo)熱性能好，但在低溫下導(dǎo)熱性能較差，可做絕熱材料使用。石墨材料平行于沖壓軸方向的膨脹系數(shù)與垂直于沖壓軸方向的膨脹系數(shù)相差三倍。熱膨脹3.1材料的低溫物理性能少數(shù)材料表現(xiàn)出反常熱膨脹行為，主要包括低熱膨脹及負(fù)熱膨脹。典型的低熱膨脹材料是因瓦合金。負(fù)熱膨脹與常規(guī)材料的熱脹冷縮現(xiàn)象相反，材料的體積隨溫度升高而縮小，隨溫度降低而變大。1951年，Hummel發(fā)現(xiàn)β-鋰霞石的結(jié)晶聚集體在1000℃后繼續(xù)升溫會(huì)出現(xiàn)體積縮小的現(xiàn)象，從而引發(fā)對(duì)負(fù)熱膨脹現(xiàn)象的研究。1997年，Sleight發(fā)現(xiàn)了化學(xué)通式為A2M3O12的鎢酸鹽和鉬酸鹽系列負(fù)熱膨脹材料，其中Sc2W3O12是迄今為止發(fā)現(xiàn)的窗口溫度范圍最寬的負(fù)熱膨脹材料，其響應(yīng)溫度范圍從10K直至1200K。金屬材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

金屬材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

金屬材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能純金屬Ni和Nb、純鋁（1100）、奧氏體不銹鋼316及因瓦合金電阻率隨溫度變化如圖3-21所示。AISI304/304L、316、317、321、347、410和430不銹鋼電阻率隨溫度的變化如圖3-22所示。剩余電阻率（RRR）3.2材料的低溫電學(xué)性能

剩余電阻率（RRR）3.2材料的低溫電學(xué)性能對(duì)Nb以及Nb-Ti/Cu、Nb3Sn/Cu等超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度均高于4.2K，因此其剩余電阻率RRR有不同的定義。半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

溫差電現(xiàn)象3.2材料的低溫電學(xué)性能

半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能

溫差電現(xiàn)象3.2材料的低溫電學(xué)性能1823年，Seebeck發(fā)現(xiàn)兩種不同的金屬接觸并組成回路時(shí)，當(dāng)兩接觸點(diǎn)有溫差，便會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。這是熱電偶測(cè)溫以及熱電器件的工作原理。1834年，Peltier發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在由兩種不同的金屬接觸組成的回路上通電流時(shí)，其中一側(cè)會(huì)放熱而另一側(cè)則會(huì)吸熱。這成為熱電制冷器件的工作原理，如圖3-25所示。在不同溫度下，材料的熱電性能有所不同。材料的熱電效率常用無(wú)量鋼的熱電優(yōu)值系數(shù)zT來(lái)表征（1）碲化鉍（Bi2Te3）及其合金，適用于溫度在450℃以下，是目前廣泛應(yīng)用熱電制冷器件的材料。（2）碲化鉛及其合金，適用溫度在1000℃附近，主要應(yīng)用于溫差發(fā)電領(lǐng)域。（3）硅鍺合金，適用溫度可達(dá)1300℃，主要應(yīng)用于溫差發(fā)電領(lǐng)域。低溫溫度的點(diǎn)測(cè)量方法3.2材料的低溫電學(xué)性能有些測(cè)溫方法基于基本物理定律，依靠測(cè)溫物質(zhì)的特性與熱力學(xué)溫度間的關(guān)系確定溫度。此類(lèi)溫度計(jì)稱(chēng)為基準(zhǔn)溫度計(jì)，這類(lèi)溫度計(jì)不需要標(biāo)定，等級(jí)更高。還有一類(lèi)測(cè)溫方法需要標(biāo)定，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)?；鶞?zhǔn)測(cè)溫溫度計(jì)主要包括3He熔化曲線(xiàn)、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變點(diǎn)、噪聲、庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象（CoulombBlockade）、核取向、氣體、蒸汽壓、穆斯堡爾效應(yīng)（M?ssbauerEffect）和滲透壓溫度計(jì)等。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫溫度計(jì)主要包括電阻、磁化率、容式和Pt?NMR等溫度計(jì)。半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率3.2材料的低溫電學(xué)性能在低溫領(lǐng)域，常用的溫度測(cè)量方法包括氣體測(cè)溫（主要有定容氣體測(cè)溫、聲學(xué)氣體測(cè)溫和介電常數(shù)氣體測(cè)溫）、蒸汽壓測(cè)溫、熱電勢(shì)測(cè)溫、電阻測(cè)溫、噪聲測(cè)溫、介電測(cè)溫、電子順磁測(cè)溫、核順磁測(cè)溫、核取向測(cè)溫和Coulomb阻塞測(cè)溫等。熱電偶溫度計(jì)利用Seebeck效應(yīng)測(cè)量溫度。熱電偶溫度計(jì)可采用幾種金屬材料的組合或單臂熱電偶。幾種用于低溫的組合熱電偶溫度計(jì)如表3-18所示。用于單臂熱電偶的材料主要有以下三種。（1）康銅：55wt.%Cu-45wt.%Ni。（2）鉻鎳合金：90wt.%Ni-10wt.%Cr。（3）鎳鋁合金：95wt.%Ni-2wt.%Al-2wt.%Mn-1wt.%Si。簡(jiǎn)介3.3材料的低溫磁性能

簡(jiǎn)介3.3材料的低溫磁性能AISI316LN奧氏體不銹鋼和KHMN30L（7Cr-1Ni-28Mn-0.1N-0.1C）高錳鋼磁導(dǎo)率隨溫度的變化如圖3-26所示。一種奈耳（Neel）溫度計(jì)算式為

低溫對(duì)奧氏體不銹鋼磁性能的影響3.3材料的低溫磁性能

焊接對(duì)奧氏體不銹鋼的磁性能影響3.3材料的低溫磁性能奧氏體不銹鋼材料的焊接易導(dǎo)致δ鐵素體的產(chǎn)生。與馬氏體類(lèi)似，δ鐵素體也是鐵磁性材料。δ鐵素體會(huì)顯著降低奧氏體不銹鋼低溫尤其是液氦溫度的韌性，如圖3-27所示。因此焊接過(guò)程中設(shè)法降低δ鐵素體含量對(duì)奧氏體不銹鋼的磁性能和力學(xué)性能都有益。塑性變形對(duì)奧氏體不銹鋼磁性的影響3.3材料的低溫磁性能一些奧氏體不銹鋼，在低溫下塑性變形會(huì)誘發(fā)馬氏體相變。也有一些奧氏體不銹鋼，在低溫下變形不會(huì)誘發(fā)馬氏體相變，即其奧氏體相在整個(gè)低溫溫區(qū)是穩(wěn)定的。在液氦溫度下塑性變形對(duì)幾種材料相對(duì)磁化率的影響如圖所示。磁場(chǎng)對(duì)金屬材料低溫力學(xué)性能的影響3.3材料的低溫磁性能低溫材料基礎(chǔ)第一章：緒論第二章：材料低溫力學(xué)性能第三章：材料低溫物理性能第四章：金屬材料第五章：非金屬材料第六章：實(shí)用超導(dǎo)材料第七章：材料低溫力學(xué)性能測(cè)量方法第八章：材料低溫?zé)嵛锢砗碗妼W(xué)性能測(cè)量方法第四章金屬材料一、低溫馬氏體相變二、低溫“鋸齒”形流變?nèi)?、金屬材料氫脆四、鋼五、鎳基合金和高溫合金六、鈦和鈦合金七、鋁和鋁合金八、銅和銅合金（一）低溫馬氏體相變馬氏體相變最初是指由面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體鋼（相）轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)（BCC）或體心四方結(jié)構(gòu)（BCT）的馬氏體鋼（相）（α'）。后來(lái)，馬氏體相變演變?yōu)榉褐敢环N無(wú)擴(kuò)散或位移型的相變。按照定義，把基本特征屬馬氏體相變型產(chǎn)物統(tǒng)稱(chēng)馬氏體。本節(jié)介紹金屬材料馬氏體相變，即重點(diǎn)介紹低溫、應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)奧氏體不銹鋼的馬氏體相變。1.1馬氏體相變的基本特征奧氏體不銹鋼馬氏體相變，是指低溫、應(yīng)變或應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變。圖4-1α'相和ε相馬氏體相變示意圖1.1馬氏體相變的基本特征圖4-2

奧氏體和幾種馬氏體形貌316LN奧氏體不銹鋼金相照片如圖4-2（a）所示。α'相馬氏體形貌有多種，如板條狀、片狀和薄板狀，分別如圖4-2（b）、圖4-2（c）和圖4-2（d）所示。1.1馬氏體相變的基本特征馬氏體往往在母相的一定晶面上開(kāi)始形成，此晶面稱(chēng)為慣習(xí)面。馬氏體和母相的相界面、中脊面都可能成為慣習(xí)面。對(duì)碳（C）質(zhì)量含量小于0.5%的鋼，慣習(xí)面通常為{111}γ。馬氏體相變?cè)从谠舆w移的協(xié)調(diào)剪切機(jī)制。從能量角度分析，馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力是母體奧氏體和產(chǎn)生馬氏體的亥姆霍茲自由能。在平衡溫度T0，母相和子相具有相同的自由能。當(dāng)溫度在T0以下，馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生。馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始發(fā)生的溫度稱(chēng)為T(mén)ms，而全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度稱(chēng)為T(mén)mf。當(dāng)冷卻至T0溫度以下但沒(méi)有發(fā)生馬氏體相變的情形稱(chēng)為過(guò)冷，過(guò)冷與兩相自由能差別增大關(guān)聯(lián)。T0溫度以下的過(guò)冷度且自由能差別增大是為了馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始對(duì)馬氏體剪切相變的依賴(lài)1.1馬氏體相變的基本特征相變過(guò)程中自由能轉(zhuǎn)化為熱能和儲(chǔ)能（內(nèi)能）。相變潛熱可以測(cè)量，也可通過(guò)相變焓確定。儲(chǔ)能的三種主要形式為應(yīng)變、界面和缺陷形成，缺陷形式主要包括位錯(cuò)和孿晶。在母體奧氏體相內(nèi)分散的位置馬氏體相成核并快速生長(zhǎng)至平衡狀態(tài)時(shí)的尺寸和形貌。相變開(kāi)始于溫度低于母相和子相熱力學(xué)平衡溫度時(shí)。晶核并不隨機(jī)分布。計(jì)算表明均勻分布成核需要相當(dāng)大的能量，其值遠(yuǎn)超熱漲落能。因此，各種成核始于具有低激活能壁壘的點(diǎn)。溫度、影響缺陷密度、缺陷形態(tài)或者母體相流變應(yīng)力的因素等都會(huì)影響馬氏體的相變1.1馬氏體相變的基本特征鐵基合金的馬氏體相變具有如下特征：馬氏體相變反應(yīng)速率與冷卻速率密切相關(guān)，一般高冷卻速率提高相變反應(yīng)速率。此類(lèi)動(dòng)力學(xué)行為稱(chēng)為非熱相變，通常發(fā)生在室溫以上。對(duì)Fe-Ni和Fe-Ni-C合金，馬氏體相變會(huì)突發(fā)性發(fā)生。通常，此類(lèi)材料的馬氏體相變伴隨明顯的聲音發(fā)出。等溫相變。1.1馬氏體相變的基本特征馬氏體相變的剪切型原子遷移會(huì)產(chǎn)生宏觀形貌改變、特定形狀的馬氏體形貌，以及母相奧氏體和子相馬氏體特定的晶體學(xué)關(guān)系。這些變化可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡甚至目測(cè)觀察到。表4-1奧氏體鋼中馬氏體含量表征方法1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼可用作20K甚至以下低溫結(jié)構(gòu)材料。然而，由于多數(shù)Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼是亞穩(wěn)態(tài)的，溫度、應(yīng)力或塑性變形都可能誘發(fā)馬氏體相變，即由具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的γ相轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方晶體或體心四方晶體結(jié)構(gòu)的

α'

相和具有六方密排結(jié)構(gòu)的

ε

相。其奧氏體的穩(wěn)定性與其化學(xué)組分、應(yīng)力、塑性應(yīng)變以及溫度等因素密切相關(guān)。馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Tms可由Eichelman-Hull公式給出[1]，即Tms=1758?1667(mC+mN)?61.1mNi?41.7mCr?33.3mMn?27.8mSi?36.1mMo（K）

（4-1）式中，mNi等為對(duì)應(yīng)的元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。由式（4-1）可見(jiàn)，C、N、Ni、Cr、Mn等都是奧氏體穩(wěn)定元素，可顯著降低馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度。由式（4-1）還可以計(jì)算得到310系奧氏體不銹鋼的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Tms為?2000K，使其成為300系奧氏體不銹鋼中最穩(wěn)定的。1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變Fe-Cr-Ni系奧氏體不銹鋼的奧氏體穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)力?應(yīng)變行為和流變的溫度依賴(lài)性都有影響。圖4-3塑性變形量和溫度對(duì)301奧氏體不銹鋼馬氏體相變體積分?jǐn)?shù)的影響1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變對(duì)亞穩(wěn)態(tài)Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼4～200K低溫，應(yīng)力?應(yīng)變行為分為三個(gè)不同階段。而具有穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的Fe-Ni-Cr不銹鋼則只有位錯(cuò)應(yīng)變硬化行為。圖4-4Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變?cè)趹?yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅰ階段，通常不發(fā)生α'相變。而磁測(cè)量也未發(fā)現(xiàn)磁導(dǎo)率變化。在應(yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅱ階段，常發(fā)生所謂的“易滑移”并在交叉口處形成板條狀α'馬氏體。在應(yīng)力?應(yīng)變行為的第Ⅲ階段，材料的加工硬化率增大至某一常數(shù)，并在一個(gè)較大塑性形變范圍（20%～40%）維持不變。在第Ⅲ階段，α'馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與塑性變形量成線(xiàn)性關(guān)系。圖4-5Fe-Ni-Cr奧氏體不銹鋼在應(yīng)變行為第I階段

的溫度依賴(lài)性1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變圖4-6304L和316LN不同溫度下拉伸真應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)及不同應(yīng)變下馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變通常認(rèn)為彈性應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變行為與低溫冷卻誘發(fā)馬氏體相變一致。應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變相對(duì)較為復(fù)雜，可分為3個(gè)階段。每個(gè)階段的加工硬化率都有不同。表4-2300系Fe-Ni-Cr奧氏體不銹鋼的相變行為1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變馬氏體相變對(duì)Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的性能具有一系列影響，主要包括：1.體積膨脹2.磁性變化3.力學(xué)性能變化

（強(qiáng)度、韌性）圖4-7奧氏體穩(wěn)定性對(duì)拉伸應(yīng)力?應(yīng)變影響示意圖1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變表4-3馬氏體相變對(duì)奧氏體不銹鋼斷裂韌性的影響1.2Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的馬氏體相變Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼與Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的低溫變形及低溫相變不同之處主要在于，前者主要發(fā)生孿晶和六方密排結(jié)構(gòu)的ε相馬氏體相變。對(duì)于Mn含量低于10%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼，其低溫相變行為與Fe-Ni-Cr系奧氏體不銹鋼的基本一致。其中對(duì)于Mn含量8%～10%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼，低溫可誘發(fā)板條狀馬氏體相變。對(duì)于Mn含量在10%～14%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼，低溫可誘發(fā)αˊ相和ε相馬氏體相變。對(duì)Mn質(zhì)量含量在14%～27%的Fe-Mn-Cr系奧氏體不銹鋼及奧氏體鋼，低溫誘發(fā)的馬氏體相變產(chǎn)生的量變少。對(duì)Mn質(zhì)量含量在28%～46%的Fe-Mn(-Cr)材料為全奧氏體鋼，不發(fā)生馬氏體相變。其中Mn質(zhì)量含量在26%～36%的鋼維持較高的低溫韌性其低溫可至20K甚至更低。當(dāng)Mn的質(zhì)量含量高于36%，其低溫韌性變差。（二）低溫“鋸齒”形流變“鋸齒”形不連續(xù)流變（屈服）是指拉伸、壓縮等應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)（σ-ε）上發(fā)生的dσ/dε不連續(xù)行為。這種不連續(xù)屈服導(dǎo)致應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)變化如“鋸齒”狀，因此常稱(chēng)為“鋸齒”形流變。不連續(xù)屈服的顯著特征是載荷（應(yīng)力）隨時(shí)間不連續(xù)劇烈變化。在特定溫度和應(yīng)變速率范圍內(nèi)，多種金屬或合金材料在塑性變形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)特殊的塑性失穩(wěn)現(xiàn)象，即時(shí)域上的“鋸齒”形應(yīng)力流變和空域上的應(yīng)變局域化。

（二）低溫“鋸齒”形流變發(fā)生不連續(xù)屈服時(shí)，在宏觀時(shí)域上表現(xiàn)為應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)上的“鋸齒”形振蕩，如圖4-8（a）所示；在空域上則主要表現(xiàn)為剪切帶的形成和傳播，造成材料塑性的降低和表面的凹凸不平，如圖4-8（b）所示。圖4-8奧氏體不銹鋼316LN液氦溫區(qū)拉伸應(yīng)力?應(yīng)變及剪切帶形成2.1Lüders屈服Lüders發(fā)現(xiàn)低碳鋼在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，即應(yīng)力升高到上屈服點(diǎn)后快速跌落到下屈服點(diǎn)。隨后拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有微小應(yīng)力起伏波動(dòng)的“鋸齒”形流變帶，伴隨試樣表面上Lüders帶的形成。當(dāng)應(yīng)力平臺(tái)區(qū)結(jié)束以后，加工硬化起主導(dǎo)作用，致使材料隨后的宏觀塑性變形變得均勻穩(wěn)定。圖4-9低碳鋼拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)和試樣表面2.1Lüders屈服Lüders帶的形成和溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互關(guān)系有關(guān)。低碳鋼中位錯(cuò)被C、N原子釘扎并形成柯氏（Cottrell）氣團(tuán)。在塑性變形時(shí)，位錯(cuò)必須掙脫柯氏氣團(tuán)的束縛才能移動(dòng)，即需要加大外力才能引起屈服（上屈服點(diǎn)）。隨后，位錯(cuò)可以在較小的應(yīng)力下運(yùn)動(dòng)，從而在一個(gè)低應(yīng)力水平（下屈服點(diǎn)）下繼續(xù)變形。

2.2PLC效應(yīng)Portevin等在拉伸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)金屬材料室溫及高溫下發(fā)生的不同于Lüders變形的新型不連續(xù)屈服現(xiàn)象，即應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)上出現(xiàn)的連續(xù)反復(fù)振蕩的“鋸齒”形屈服現(xiàn)象，該現(xiàn)象也被稱(chēng)為PLC效應(yīng)。圖4-10AA5083鋁合金室溫拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)

2.2PLC效應(yīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PLC效應(yīng)導(dǎo)致的“鋸齒”形屈服包括6種不同形式（A-F），其中常見(jiàn)的5種如圖4-11所示。圖4-11PLC效應(yīng)導(dǎo)致的5種類(lèi)型不連續(xù)屈服及實(shí)例

2.2PLC效應(yīng)表4-4PLC效應(yīng)導(dǎo)致的6種不連續(xù)屈服特征

2.2PLC效應(yīng)導(dǎo)致不連續(xù)屈服產(chǎn)生的7個(gè)可能原因[8]，包括：（1）位錯(cuò)密度或位錯(cuò)滑移速度的增加。位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的塑性應(yīng)變速率為式中，ρm為參與滑移的位錯(cuò)密度，b為Burgers矢量，

為位錯(cuò)滑移平均速度。因此，當(dāng)位錯(cuò)密度ρm、位錯(cuò)滑移速度

任一或同時(shí)增加時(shí)都會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)屈服。（2）可動(dòng)位錯(cuò)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的相互作用。可動(dòng)位錯(cuò)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的相互作用會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)密度ρm、位錯(cuò)滑移速率

任一或同時(shí)增加，從而導(dǎo)致不連續(xù)屈服。（3）可動(dòng)位錯(cuò)有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變、漸變或調(diào)整。（4）孿晶變形的產(chǎn)生。（5）位錯(cuò)切割第二相粒子。（6）材料溫度的突變或溫度的不均勻傳遞。這種情形主要發(fā)生在低溫下。（7）應(yīng)力或應(yīng)變誘發(fā)相變。2.3低溫不連續(xù)屈服在常溫和高溫下具有連續(xù)、光滑的應(yīng)變硬化行為的金屬材料在液氦溫度下發(fā)生塑性變形不穩(wěn)定，如圖4-12所示。隨后，先后在有面心立方晶體結(jié)構(gòu)、體心立方晶體結(jié)構(gòu)、六方密排晶體結(jié)構(gòu)、金屬單晶和多晶材料等材料中發(fā)現(xiàn)了低溫不連續(xù)屈服現(xiàn)象。圖4-12單晶及多晶金屬材料液氦溫度下拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)2.3低溫不連續(xù)屈服1．低溫不連續(xù)屈服的基本特征（1）材料開(kāi)始出現(xiàn)不連續(xù)屈服的溫度Tse與材料、試驗(yàn)系統(tǒng)和應(yīng)變速率等因素相關(guān)。相同溫度下，試驗(yàn)應(yīng)變速率較低或較高時(shí)都不會(huì)發(fā)生低溫不連續(xù)屈服。不同溫度下，發(fā)生不連續(xù)屈服的應(yīng)變速率范圍不同。表4-5幾種材料的低溫不連續(xù)屈服開(kāi)始溫度Tse圖4-14Cu-14at.%Al合金出現(xiàn)不連續(xù)屈服的溫度?應(yīng)變速率范圍圖4-13多晶鋁不同應(yīng)變速率下低溫拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)[9]2.3低溫不連續(xù)屈服（2）金屬材料發(fā)生不連續(xù)屈服時(shí)會(huì)伴隨試樣溫度的顯著變化，如圖4-15所示。通常PLC效應(yīng)導(dǎo)致的不連續(xù)屈服則無(wú)此現(xiàn)象。此外，金屬材料發(fā)生低溫不連續(xù)屈服時(shí)還伴隨電阻值的跳躍，如圖4-16所示。圖4-15310S奧氏體不銹鋼不同冷卻介質(zhì)（液氦和超流氦）中拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)及試樣溫度的變化圖4-16多晶鋁（99.5%）低溫不連續(xù)屈服時(shí)電阻變化2.3低溫不連續(xù)屈服（3）一些材料（如亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼）發(fā)生低溫不連續(xù)屈服時(shí)伴隨應(yīng)變或應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變或?qū)\晶生成。然而也有許多材料發(fā)生低溫不連續(xù)屈服時(shí)并不發(fā)生相變，如310、鋁合金等。（4）晶粒及晶界影響低溫不連續(xù)屈服行為。通過(guò)對(duì)具有不同晶粒尺寸的多晶鋁研究，發(fā)現(xiàn)晶粒粒徑降低，即晶界增大，可抑制低溫不連續(xù)屈服數(shù)量，但會(huì)增大應(yīng)力跳躍幅度，如圖4-17所示。圖4-17晶粒對(duì)對(duì)低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（5）冷卻介質(zhì)對(duì)低溫不連續(xù)屈服的影響。冷卻介質(zhì)的影響源于材料與冷卻介質(zhì)界面?zhèn)鳠嵋蛩?。通常相同溫度的低溫液體比氣體熱容和熱導(dǎo)都高，且與金屬材料界面?zhèn)鳠嵝矢?。圖4-18冷卻介質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼對(duì)低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（6）材料雜質(zhì)含量對(duì)低溫不連續(xù)屈服開(kāi)始溫度、不連續(xù)屈服數(shù)目以及幅度都有影響。圖4-19雜質(zhì)含量對(duì)單晶鋁、多晶鈦低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（7）樣品幾何尺寸對(duì)低溫不連續(xù)屈服的影響。當(dāng)試樣變?。〞r(shí)不連續(xù)屈服數(shù)目以及應(yīng)力跳躍幅度有所降低。這可能與冷卻介質(zhì)熱交換有關(guān)。圖4-20試樣直徑和冷卻介質(zhì)對(duì)低溫不連續(xù)屈服的影響2.3低溫不連續(xù)屈服（8）每一低溫不連續(xù)屈服都伴隨聲音釋放。此外，試驗(yàn)中人為聲音干預(yù)也能改變低溫屈服不連續(xù)行為，如改變Tse。（9）超導(dǎo)轉(zhuǎn)變對(duì)低溫不連續(xù)屈服也有影響。應(yīng)變速率和溫度相同的條件下，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變發(fā)生后材料不連續(xù)屈服變?nèi)跎踔料?，如Al、Pb、In、Sn、Al-Mg、Al-Mn、Al-Li和Sn-Cd等，但是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變不影響材料的強(qiáng)度性質(zhì)。2.3低溫不連續(xù)屈服許多低溫金屬結(jié)構(gòu)材料如奧氏體不銹鋼等具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，研究表明這些材料的低溫不連續(xù)屈服還具有如下特性：（1）每一個(gè)不連續(xù)屈服包括4部分，即彈性變形、塑性屈服以及應(yīng)力弛豫階段［包括（Ⅰ）應(yīng)力突降和（Ⅱ）應(yīng)力緩慢降低兩個(gè)階段］，如圖4-21所示。塑性屈服階段試樣的溫度升高并不明顯。溫度升高階段主要發(fā)生在應(yīng)力緩慢降低階段。圖4-21單個(gè)不連續(xù)屈服放大以及試樣溫度變化對(duì)應(yīng)關(guān)系2.3低溫不連續(xù)屈服（2）對(duì)多數(shù)奧氏體不銹鋼，開(kāi)始出現(xiàn)不連續(xù)屈服的溫度Tse約為35K，如圖4-22所示。圖4-22316LN不同溫度下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)（?=2.4×10?4s?1）2.3低溫不連續(xù)屈服2．低溫不連續(xù)屈服機(jī)理對(duì)于低溫不連續(xù)屈服產(chǎn)生的機(jī)理，尚無(wú)完善和統(tǒng)一的解釋。接下來(lái)介紹目前存在的主要假說(shuō)。1）熱力不穩(wěn)定性假說(shuō)2）位錯(cuò)塞積群動(dòng)力學(xué)假說(shuō)3．低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)的異同低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)都可表現(xiàn)為“鋸齒”形拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)。低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)有本質(zhì)不同。低溫不連續(xù)屈服與PLC效應(yīng)都與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。然而，造成PLC效應(yīng)的位錯(cuò)壁壘源于溶質(zhì)原子擴(kuò)散；造成低溫不連續(xù)變形的壁壘形成卻與擴(kuò)散無(wú)關(guān)。與PLC效應(yīng)比較，對(duì)低溫不連續(xù)屈服的機(jī)理解釋尚未成熟。（三）金屬材料氫脆金屬氫脆，指氫進(jìn)入金屬后引起材料塑性下降、誘發(fā)裂紋、產(chǎn)生滯后斷裂以及斷裂韌度下降的現(xiàn)象。氫對(duì)材料力學(xué)性能破壞的機(jī)理分為：一類(lèi)是出現(xiàn)與氫相關(guān)的新物相并引起材料結(jié)構(gòu)破壞；另一類(lèi)是沒(méi)有明顯的第二相出現(xiàn)，即稱(chēng)之為氫脆效應(yīng)。氫脆效應(yīng)不涉及明顯的化學(xué)反應(yīng)或新相生成。目前氫脆機(jī)理的解釋主要包括氫增強(qiáng)的結(jié)合破壞和氫增強(qiáng)的局部塑性。氫脆有時(shí)還分為三類(lèi)，即環(huán)境氫脆、內(nèi)部氫脆和反應(yīng)氫脆。可用缺口拉伸強(qiáng)度比、斷面收縮率比和斷后伸長(zhǎng)率比來(lái)表征氫環(huán)境對(duì)材料斷裂性能的影響。圖4-23環(huán)境氫脆、內(nèi)部氫脆和反應(yīng)氫脆與外應(yīng)力關(guān)系示意圖（三）金屬材料氫脆表4-6三種氫脆的基本特征（四）鋼鋼是含碳量0.02%～2%之間的鐵碳合金。一般含碳量越高，硬度和強(qiáng)度就越高，但韌性尤其是低溫韌性顯著降低?？梢栽诘蜏叵率褂玫匿摲悍Q(chēng)低溫鋼。1.低溫錳鋼和鎳鋼是在普通碳鋼的基礎(chǔ)上通過(guò)添加Mn元素或